(57)【要約】【課題】排気温度の低い運転状態が長く続くような運行形態の車両であっても、パティキュレートとＮＯxとの同時低減を実現し得るようにする。【解決手段】排気管９の途中に介装されたパティキュレートフィルタ１１の前段に酸化触媒１６を装備すると共に、該酸化触媒１６の前段に低排気温度条件で排気ガス７中のＮＯxと炭化水素を同時吸着し且つその吸着したＮＯx中のＮＯ2を前記炭化水素の酸化生成物である亜酸化炭化水素と反応させて還元浄化するＮＯx吸着触媒１７を装備する。【選択図】図１
2007291981.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気管の途中に介装されたパティキュレートフィルタの前段に酸化触媒を装備すると共に、該酸化触媒の前段に低排気温度条件で排気ガス中のＮＯxと炭化水素を同時吸着し且つその吸着したＮＯx中のＮＯ2を前記炭化水素の酸化生成物である亜酸化炭化水素と反応させて還元浄化するＮＯx吸着触媒を装備したことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気浄化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンから排出されるパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）は、炭素質から成る煤と、高沸点炭化水素成分から成るＳＯＦ分（Soluble Organic Fraction：可溶性有機成分）とを主成分とし、更に微量のサルフェート（ミスト状硫酸成分）を含んだ組成を成すものであるが、この種のパティキュレートの低減対策としては、排気ガスが流通する排気管の途中に、パティキュレートフィルタを装備することが従来より行われている。
【０００３】
この種のパティキュレートフィルタは、コージェライト等のセラミックから成る多孔質のハニカム構造を成し、格子状に区画された各流路の入口が交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路については、その出口が目封じされるようになっており、各流路を区画する多孔質薄壁を透過した排気ガスのみが下流側へ排出される一方、排気ガス中のパティキュレートが多孔質薄壁の内側表面に捕集されるようになっている。
【０００４】
ただし、ディーゼルエンジンの排気浄化を図る場合、前述のように排気ガス中のパティキュレートを除去するだけでは十分ではなく、排気ガス中に含まれるＮＯx（窒素酸化物）についても除去する必要があるので、パティキュレートフィルタとＮＯx吸蔵還元触媒とを併用してパティキュレートとＮＯxの同時低減化を図ることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
ここで、ＮＯx吸蔵還元触媒とは、排気空燃比がリーンの時に排気ガス中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し、排気ガス中のＯ2濃度が低下した時に未燃の炭化水素やＣＯ等の介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化する性質を備えたものであり、一般的には、Ｌｉ，Ｎａ，Ｋ等のアルカリ金属や、Ｂａ等のアルカリ土類金属をＮＯx吸蔵材としてＰｔ等の貴金属原料と共にシリカ等の多孔質材を担持せしめたものが知られている。
【０００６】
斯かるＮＯx吸蔵還元触媒においては、ＮＯxの吸蔵量が増大して飽和量に達してしまうと、それ以上のＮＯxを吸蔵できなくなるため、定期的にＮＯx吸蔵還元触媒に流入する排気ガスのＯ2濃度を低下させてＮＯxを分解放出させる必要があり、例えば、ＮＯx吸蔵還元触媒をディーゼルエンジンに適用する場合には、機関をリッチ空燃比で運転することが困難であるため、ＮＯx吸蔵還元触媒の上流側の排気管内にインジェクタ等を介し燃料（炭化水素）を還元剤として直接添加するようにしている。
【０００７】
他方、パティキュレートフィルタに捕集されたパティキュレート（主として煤分）は、ＮＯxがＮＯx吸蔵還元触媒に吸蔵される際や吸蔵ＮＯxが還元される際に生ずる活性酸素により酸化浄化（燃焼除去）されることになる。
【特許文献１】特開２００４−１７６６３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、この種のＮＯx吸蔵還元触媒においては、必要な触媒活性が得られる活性温度域があり、この活性温度域の下限温度（約１５０℃程度）を下まわるような低い排気温度での運転状態（一般的に低負荷運転領域に排気温度が低い領域が拡がっている）が続くと、ＮＯx吸蔵還元触媒によるＮＯx低減効果が殆ど得られないという問題があり、例えば、都市部の路線バス等のように渋滞路ばかりを走行するようなアイドリング主体の運行形態の車両では、必要な下限温度以上での運転が長く継続しないため、いくらパティキュレートフィルタにＮＯx吸蔵還元触媒を併用しても、パティキュレートとＮＯxの同時低減化を図ることが難しかった。
【０００９】
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、排気温度の低い運転状態が長く続くような運行形態の車両であっても、パティキュレートとＮＯxとの同時低減を実現し得るようにした排気浄化装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、排気管の途中に介装されたパティキュレートフィルタの前段に酸化触媒を装備すると共に、該酸化触媒の前段に低排気温度条件で排気ガス中のＮＯxと炭化水素を同時吸着し且つその吸着したＮＯx中のＮＯ2を前記炭化水素の酸化生成物である亜酸化炭化水素と反応させて還元浄化するＮＯx吸着触媒を装備したことを特徴とする排気浄化装置、に係るものである。
【００１１】
而して、このようにすれば、排気温度が低い運転状態で排気ガス中のＮＯxと炭化水素がＮＯx吸着触媒に同時吸着され、その吸着された炭化水素が低排気温度条件下で緩慢に排気ガス中の酸素と反応して亜酸化炭化水素となり（排気温度が高い条件下では炭化水素が燃焼してしまう）、前記ＮＯx吸着触媒に吸着されているＮＯx中のＮＯ2が前記亜酸化炭化水素と反応して還元浄化される。
【００１２】
また、吸着中に炭化水素の亜酸化炭化水素への酸化反応熱に助勢されてＮＯからＮＯ2への酸化反応も局部的に促されるため、吸着中に新たにＮＯからＮＯ2となったものも亜酸化炭化水素と反応して還元浄化されることになり、ＮＯx吸着触媒に吸着されたＮＯxのうちの約３０％程度が還元浄化されて低減される。
【００１３】
即ち、排気温度が低い運転状態にあっては、炭化水素の濃度が相対的に高い状態となっているため、ＮＯx吸着触媒にはＮＯxだけでなく炭化水素も一緒に吸着されることになり、しかも、排気ガスの流量やＮＯx濃度が共に低い状態となっているため、前述の如き緩慢な反応を主体としたＮＯxの還元浄化作用でも有効なＮＯx低減効果が得られることになる。
【００１４】
尚、亜酸化炭化水素により還元浄化されないままＮＯx吸着触媒に残るＮＯxは、停止状態から加速発進するような排気温度の高い運転状態を迎えることで放出されることになるが、その一部が直後の酸化触媒で酸化されてＮＯ2となるので、ここで新たに生成されたＮＯ2が前記ＮＯx吸着触媒から残余のＮＯxと共に放出された亜酸化炭化水素と更に反応して還元浄化される。
【００１５】
他方、酸化触媒の直後のパティキュレートフィルタにおいては、排気温度条件と無関係にパティキュレートが捕集されていくため、パティキュレートとＮＯxの同時低減化が図られることになる。
【００１６】
また、本発明においては、排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段を備えることが好ましく、このようにすれば、燃料添加手段により排気ガス中に添加した燃料が酸化触媒を通過する間に酸化反応し、その反応熱で昇温した排気ガスの流入により直後のパティキュレートフィルタの触媒床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタの再生化が図られることになる。
【発明の効果】
【００１７】
上記した本発明の排気浄化装置によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。
【００１８】
（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、低排気温度条件で排気ガス中のＮＯxと炭化水素をＮＯx吸着触媒に同時吸着し且つその吸着したＮＯx中のＮＯ2を前記炭化水素の酸化生成物である亜酸化炭化水素と反応させて還元浄化することができ、しかも、還元浄化されずにＮＯx吸着触媒に残ったＮＯxを排気温度の高い運転状態を迎えた時に放出させて一部を直後の酸化触媒でＮＯ2とし、この新たに生成されたＮＯ2を亜酸化炭化水素と更に反応させて還元浄化することもできるので、排気温度の低い運転状態が長く続くような運行形態の車両であっても、排気温度条件と無関係にパティキュレートを捕集することが可能なパティキュレートフィルタと前記ＮＯx吸着触媒とを併用することでパティキュレートとＮＯxとの同時低減を実現することができる。
【００１９】
（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、燃料添加手段により排気ガス中に燃料を添加して酸化触媒を通過する間に酸化反応させ、その反応熱で昇温した排気ガスの流入により直後のパティキュレートフィルタの触媒床温度を上げてパティキュレートを燃やし尽くすことができるので、パティキュレートフィルタを確実に再生することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
【００２１】
図１〜図４は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における１はターボチャージャ２を搭載したディーゼルエンジンを示しており、エアクリーナ３から導いた吸気４が吸気管５を介し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された吸気４が更にインタクーラ６へと送られて冷却され、該インタクーラ６から図示しないインテークマニホールドへと吸気４が導かれてディーゼルエンジン１の各シリンダに導入されるようにしてある。
【００２２】
また、このディーゼルエンジン１の各シリンダから排出された排気ガス７が排気マニホールド８を介し前記ターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排気ガス７が排気管９を介し車外へ排出されるようにしてあり、該排気管９の途中に介装されたフィルタケース１０内には、捕集済みパティキュレートの酸化反応を助勢する機能を高めた酸化触媒を担持したパティキュレートフィルタ１１が収容されている。
【００２３】
図２にその構造を模式的に示す如く、このパティキュレートフィルタ１１は、セラミックから成る多孔質のハニカム構造となっており、格子状に区画された各流路１２の入口が栓体１３により交互に目封じされ、入口が目封じされていない流路１２については、その出口が栓体１４により目封じされるようになっていて、各流路１２を区画する多孔質薄壁１５を透過してパティキュレートを捕集された排気ガス７のみが下流側へ排出されるようになっている。
【００２４】
更に、前記フィルタケース１０内におけるパティキュレートフィルタ１１の前段には、図３に一部を切り欠いて概略的に示す如きハニカム構造を有するフロースルー型の酸化触媒１６が装備されており、この酸化触媒１６は、排気ガス７中の炭化水素の酸化反応を助勢する機能を高めたものとなっており、後段のパティキュレートフィルタ１１に担持されている酸化触媒よりもＰｔやＰｄ等の活性種の量を多くしたものとなっている。
【００２５】
そして、前記フィルタケース１０内における酸化触媒１６の前段には、低排気温度条件で排気ガス７中のＮＯxと炭化水素を同時吸着し且つその吸着したＮＯx中のＮＯ2を前記炭化水素の酸化生成物である亜酸化炭化水素と反応させて還元浄化するＮＯx吸着触媒１７が装備されている。
【００２６】
尚、ここで言うＮＯx吸着触媒１７とは、先の背景技術の説明で述べたところのＮＯx吸蔵還元触媒（排気空燃比がリーンの時に排気ガス７中のＮＯxを酸化して硝酸塩の状態で一時的に吸蔵し且つ排気ガス７中のＯ2濃度が低下した時に未燃の炭化水素やＣＯ等の介在によりＮＯxを分解放出して還元浄化する性質を持つもの）とは全く異なるものであり（特許文献１で述べられている「ＮＯx吸着触媒」の実体はＮＯx吸蔵還元触媒である）、図４に一部を切り欠いて概略的に示す如く、排気ガス７中のＮＯxや炭化水素を物理的に吸着する能力に優れたゼオライトから成るフロースルー型のハニカム構造となっている。
【００２７】
ゼオライトはアルミナケイ酸塩質の多孔性結晶材料であり、結晶中に均一な分子レベルの細孔を規則正しく配向して備えていることを特徴とし、この細孔を通じて各種の分子を空洞又は孔路内に吸着する性質を備えており、このような性質以外にも、細孔が均一であることに基づく分子ふるい作用を持つ性質（細孔の孔径より小さい分子しか吸着しない）、結晶構造中のカチオンとアニオンの作用により極性物質を強く吸着する性質、触媒作用を持つ性質も兼ね備えている。
【００２８】
また、この種のゼオライトは、その骨格構造の型に基づき多種類に分類されるが、低排気温度条件下で細孔内へＮＯxと炭化水素を吸着する能力と、吸着した炭化水素を低排気温度条件下で緩慢に排気ガス中の酸素と反応させて亜酸化炭化水素とする能力と、高耐熱性、高耐久性とに優れたものを適宜に選定すれば良く、同様の性質を備えたゼオライト類縁化合物の中から選定することも可能である。
【００２９】
更に、本形態例においては、パティキュレートフィルタ１１の強制再生を行う必要が生じた際に、ディーゼルエンジン１の各シリンダに燃料を噴射する燃料噴射装置１８（図１参照）の燃料噴射制御が通常モードから再生モードに切り替わり、圧縮上死点（クランク角０゜）付近で行われる燃料のメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミング（開始時期がクランク角９０゜〜１２０゜の範囲）でポスト噴射が実行されるようになっている。
【００３０】
つまり、このようにメイン噴射に続いて圧縮上死点より遅い非着火のタイミングでポスト噴射が行われると、このポスト噴射により排気ガス７中に未燃の燃料（主として炭化水素）が添加されることになり、この未燃の燃料により生じた炭化水素（ＨＣガス）が排気ガス７と共にディーゼルエンジン１から排出されることになる。
【００３１】
尚、この際に、メイン噴射の燃料の一部をメイン噴射直後の燃焼可能なタイミングでアフタ噴射として振り分け、若干遅めのタイミングで燃焼せしめることによりディーゼルエンジン１の熱効率を下げ、燃料の発熱量のうちの動力に利用されない熱量を増やして排気温度を積極的に上げるようにしても良い。
【００３２】
また、本形態例においては、排気温度の低い運転状態が長く続くような運行形態の車両を対象とし、低排気温度条件下でのパティキュレートとＮＯxの同時低減化を図ることを中心に説明しているため、中・高負荷の排気温度の高い運転状態におけるＮＯx対策についての詳細な説明を割愛しているが、中・高負荷の排気温度の高い運転状態にあっては、排気側から排気ガス７の一部を抜き出して吸気側へと戻し、その吸気側に戻された排気ガス７で各シリンダ内での燃料の燃焼を抑制させて燃焼温度を下げることによりＮＯx（窒素酸化物）の発生を低減するようにした、いわゆる排気ガス再循環（ＥＧＲ：Exhaust Gas Recirculation）を実行してＮＯxの低減化を図るようにすれば良い。
【００３３】
而して、このように排気浄化装置を構成すれば、排気温度が低い運転状態で排気ガス７中のＮＯxと炭化水素がＮＯx吸着触媒１７に同時吸着され、その吸着された炭化水素が低排気温度条件下で緩慢に排気ガス７中の酸素と反応して亜酸化炭化水素となり（排気温度が高い条件下では炭化水素が燃焼してしまう）、前記ＮＯx吸着触媒１７に吸着されているＮＯx中のＮＯ2が前記亜酸化炭化水素と反応して還元浄化される。
【００３４】
また、吸着中に炭化水素の亜酸化炭化水素への酸化反応熱に助勢されてＮＯからＮＯ2への酸化反応も局部的に促されるため、吸着中に新たにＮＯからＮＯ2となったものも亜酸化炭化水素と反応して還元浄化されることになり、ＮＯx吸着触媒１７に吸着されたＮＯxのうちの約３０％程度が還元浄化されて低減される。
【００３５】
即ち、排気温度が低い運転状態にあっては、炭化水素の濃度が相対的に高い状態となっているため、ＮＯx吸着触媒１７にはＮＯxだけでなく炭化水素も一緒に吸着されることになり、しかも、排気ガス７の流量やＮＯx濃度が共に低い状態となっているため、前述の如き緩慢な反応を主体としたＮＯxの還元浄化作用でも有効なＮＯx低減効果が得られることになる。
【００３６】
尚、亜酸化炭化水素により還元浄化されないままＮＯx吸着触媒１７に残るＮＯxは、停止状態から加速発進するような排気温度の高い運転状態を迎えることで放出されることになるが、その一部が直後の酸化触媒で酸化されてＮＯ2となるので、ここで新たに生成されたＮＯ2が前記ＮＯx吸着触媒１７から残余のＮＯxと共に放出された亜酸化炭化水素と更に反応して還元浄化される。
【００３７】
他方、酸化触媒の直後のパティキュレートフィルタ１１においては、排気温度条件と無関係にパティキュレートが捕集されていくため、パティキュレートとＮＯxの同時低減化が図られることになる。
【００３８】
そして、パティキュレートフィルタ１１の強制再生を行う必要が生じた際には、燃料噴射装置１８の燃料噴射制御を通常モードから再生モードに切り替え、ポスト噴射を実行することで燃料添加を行えば良く、このようにすれば、排気ガス７中に添加された燃料が酸化触媒１６を通過する間に酸化反応し、その反応熱で昇温した排気ガス７の流入により直後のパティキュレートフィルタ１１の触媒床温度が上げられてパティキュレートが燃やし尽くされ、パティキュレートフィルタ１１の再生化が図られることになる。
【００３９】
従って、上記形態例によれば、低排気温度条件で排気ガス７中のＮＯxと炭化水素をＮＯx吸着触媒１７に同時吸着し且つその吸着したＮＯx中のＮＯ2を前記炭化水素の酸化生成物である亜酸化炭化水素と反応させて還元浄化することができ、しかも、還元浄化されずにＮＯx吸着触媒１７に残ったＮＯxを排気温度の高い運転状態を迎えた時に放出させて一部を直後の酸化触媒でＮＯ2とし、この新たに生成されたＮＯ2を亜酸化炭化水素と更に反応させて還元浄化することもできるので、排気温度の低い運転状態が長く続くような運行形態の車両であっても、排気温度条件と無関係にパティキュレートを捕集することが可能なパティキュレートフィルタと前記ＮＯx吸着触媒とを併用することでパティキュレートとＮＯxとの同時低減を実現することができる。
【００４０】
また、燃料添加手段により排気ガス７中に燃料を添加して酸化触媒を通過する間に酸化反応させ、その反応熱で昇温した排気ガス７の流入により直後のパティキュレートフィルタ１１の触媒床温度を上げてパティキュレートを燃やし尽くすことができるので、パティキュレートフィルタ１１を確実に再生することができる。
【００４１】
尚、本発明の排気浄化装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、先の形態例においては、排気ガス中に燃料を添加する燃料添加手段として、燃料のメイン噴射に続いて非着火のタイミングでポスト噴射を追加することで排気ガス中に燃料を添加する場合を例示しているが、メイン噴射自体の噴射時期を通常より遅らせることで排気ガス中に燃料の未燃分を多く残して燃料添加とすることも可能であり、また、排気管の上流側にインジェクタを別途装備して排気管内に燃料を直噴することも可能であること、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。
【図２】図１のパティキュレートフィルタの構造を模式的に示す断面図である。
【図３】図１の酸化触媒の詳細を一部を切り欠いて示す斜視図である。
【図４】図１のＮＯx吸着触媒の詳細を一部を切り欠いて示す斜視図である。
【符号の説明】
【００４３】
９  排気管
１１  パティキュレートフィルタ
１６  酸化触媒
１７  ＮＯx吸着触媒
１８  燃料噴射装置（燃料添加手段）
【図１】
2007291981.tif 000003
【図２】
2007291981.tif 000004
【図３】
2007291981.tif 000005
【図４】
2007291981.tif 000006